Лекция 2. Тампонажные растворы.

Минералогический состав клинкера

Наиболее быстро гидратирующимся минералом портландцементного клинкера является трехкальциевый алюминат (C₃A), за ним следует четырехкальциевый алюмоферрит (C₄AF), затем алит (C₃S) и медленнее всего реагирует с водой белит (C₂S).

Поэтому цементы с высоким содержанием трехкальциевого алюмината, четырехкальциевого алюмоферрита и алита являются быстротвердеющими, а с высоким содержанием белита – медленнотвердеющими, которые используют в основном для тампонирования в интервалах повышенных температур.

Внимание!

Минералогический состав клинкера следует учитывать и при выборе цемента для тампонирования скважин в интервалах многолетнемерзлых пород (ММП).

По интенсивности тепловыделения в процессе гидратации клинкерные минералы располагаются в следующей последовательности:

• белит (C₂S) – 206 Дж/г;

• четырехкальциевый алюмоферрит (C₄AF) – 419 Дж/г;

• алит (C₃S) – 502 Дж/г;

• трехкальциевый алюминат (C₃A) – 867 Дж/г.

Степень дисперсности ТЦ

Повышение степени дисперсности ТЦ приводит к увеличению поверхности реакции гидратации, а следовательно, и ее скорости.

Приближенно можно принять, что скорость гидратации прямо пропорциональна величине удельной поверхности ТЦ.

В/Ц

При значениях В/Ц, наиболее часто используемых в практике тампонирования скважин (0,45…0,55), его влияние на скорость гидратации не очень существенно.

В принципе же, скорость гидратации с ростом В/Ц увеличивается.

При высоких значениях В/Ц период интенсивной гидратации идет быстро, затем замедляется. При низком В/Ц процесс интенсивной гидратации растянут во времени.

С ростом температуры до 70…90 ºС эти отличия выражены уже менее четко.

При регламентировании значений В/Ц следует руководствоваться следующим:

• С увеличением В/Ц

• снижается способность ТР к затвердеванию, поэтому В/Ц ³ 1 характерно только для ТР, содержащих облегчающие добавки, способные связывать большое количество воды;

• снижается седиментационная устойчивость ТР;

• растет показатель фильтрации ТР.

• С уменьшением значений В/Ц до £ 0,3 ТР невозможно транспортировать в заколонное пространство, так как он превращается в пасту.

• При В/Ц ³ 0,6 в структуре ТК образуется система взаимосвязанных капиллярных и более крупных пор, т.е. с ростом В/Ц повышается пористость, проницаемость ТК и снижается его прочность.

Давление

С повышением давления скорость гидратации увеличивается.

Так, известно, что с ростом давления от атмосферного до 50…60 МПа сроки схватывания сокращаются примерно вдвое.

Температура

Скорость растворения поверхности клинкерных минералов (скорость гидратации) возрастает с ростом температуры экспоненциально, т.е. температура является главным фактором, определяющим скорость схватывания и твердения ТР.

Константа скорости растворения вяжущих веществ (ВВ) определяется по формуле

K = K0 exp (- E / Rt),

где K0 – константа определенного ВВ;

R – универсальная газовая постоянная (R = 8,314 Дж/К·моль);

Е – энергия активации, Дж/моль;

t – температура, К (t = T + 273,15; где T – температура, ºС)

.

При тампонировании глубоких скважин большинство из рассмотренных выше факторов являются практически фиксированными, т.е. не зависящими от исполнителей.

Так, температура и давление в скважине определяются соответствующими градиентами (геотермическим и геостатическим), характерными для конкретного месторождения, а минералогический состав и степень дисперсности ТЦ – технологией его изготовления.

Именно поэтому для регулирования скорости гидратации (скорости схватывания и твердения) широко используют химические реагенты – УС и ЗС.